控制系統(tǒng)的設(shè)計jppt課件(已修改)
2025-05-16 00:10 本頁面
【正文】 1 第六章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 ? 引言 設(shè)計步驟 校正的概念 性能指標(biāo) 校正方式 ? 系統(tǒng)校正的根軌跡法 超前校正 滯后校正 ? 系統(tǒng)校正的頻率響應(yīng)法 串聯(lián)超前校正 串聯(lián)滯后校正 串聯(lián)滯后 超前校正 ? 反饋校正 ? 小結(jié) 2 第一節(jié) 引言 ? 設(shè)計要求 ? 校正的概念 ? 性能指標(biāo) ? 校正方式 3 第一節(jié) 引言 已知一個自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式及其全部參數(shù)，研究其穩(wěn)定性條件，以及在典型輸入信號作用下，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、瞬態(tài)性能與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和輸入信號之間的關(guān)系問題。 在實際工程中，往往提出另外一個問題，即根據(jù)希望的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能指標(biāo)，研究如何建立滿足性能要求的控制系統(tǒng)。 系統(tǒng)分析問題 系統(tǒng)設(shè)計問題 系統(tǒng)綜合 系統(tǒng)校正 預(yù)先給出設(shè)計指標(biāo)，需要確定控制形式與滿足預(yù)定指標(biāo)的控制器。 給出已有基本結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)的期望性能指標(biāo)，需要確定增加某種控制器，修正或校正控制系統(tǒng)的特性。 4 控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟 1. 擬定性能指標(biāo) 2. 初步設(shè)計 1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)和設(shè)計指標(biāo)，初步確定比較合理的設(shè)計方案， 選擇系統(tǒng)的主要元部件，擬出控制系統(tǒng)的原理圖。 2）建立所選元部件的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行初步的穩(wěn)定性分析和動態(tài)性能分析。一般來說，這時的系統(tǒng)雖然在原理上能夠完成給定的任務(wù)，但系統(tǒng)的性能一般不能滿足要求的性能指標(biāo)。 3）對于不滿足性能指標(biāo)的系統(tǒng)，可以在其中再加一些元件，使系統(tǒng)達(dá)到給定的性能指標(biāo)。 4）分析各種方案，選擇最合適的方案。 3. 原理試驗 4. 樣機(jī)生產(chǎn) 5 校正的概念 在已有系統(tǒng)中加入一些參數(shù)和結(jié)構(gòu)可以調(diào)整的裝置 ， 來改善系統(tǒng)特性 。從理論上來講這是完全可以的 ， 因為加入了 校正 裝置就改變了系統(tǒng)的傳遞函數(shù) ， 也就改變了系統(tǒng)的動態(tài)特性 。 校正就是在系統(tǒng)不可變部分的基礎(chǔ)上，加入適當(dāng)?shù)男Ｕ?，使系統(tǒng)滿足給定的性能指標(biāo)。 初步設(shè)計出的系統(tǒng)一般來說是不滿足性能指標(biāo)要求的。 確定了校正方案以后，下面的問題就是如何確定校正裝置的 結(jié)構(gòu)和參數(shù)。目前主要有兩大類校正方法：分析法與綜合法。 分析法又稱為試探法 。這種方法是把校正裝置歸結(jié)為易于實現(xiàn) 的幾種類型。例如，超前校正、滯后校正、滯后 — 超前校正等， 它們的結(jié)構(gòu)是已知的，而參數(shù)可調(diào)。 綜合法又稱為期望特性法 。它的基本思想是按照設(shè)計任務(wù)所 要求的性能指標(biāo)，構(gòu)造期望的數(shù)學(xué)模型，然后選擇校正裝置 的數(shù)學(xué)模型，使系統(tǒng)校正后的數(shù)學(xué)模型等于期望的數(shù)學(xué)模型。 系統(tǒng)的校正可以在時域內(nèi)進(jìn)行，也可以在頻域內(nèi)進(jìn)行。用頻域法進(jìn)行校正比較簡單，但頻域法的設(shè)計指標(biāo)是間接指標(biāo)。 6 性能指標(biāo) 常用的性能指標(biāo)： st?hc?時域指標(biāo) ： 調(diào)節(jié)時間 %?超調(diào)量 pK vK aK靜態(tài)誤差系數(shù) 開環(huán)頻域指標(biāo) ： 相角裕度 幅值裕度 截止頻率 rMr?b?閉環(huán)頻域指標(biāo) ： 諧振峰值 諧振頻率 帶寬 零頻幅值比 (0)M說明： 對動靜態(tài)性能指標(biāo)的要求應(yīng)有不同的側(cè)重。 2. 系統(tǒng)帶寬的選擇既要考慮信號的通過能力，又要考慮抗干擾能力。 ，應(yīng)符合實際系統(tǒng)的需要與可能。 7 在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，時域指標(biāo)和頻域指標(biāo)之間可以通過近似公式進(jìn)行互換。 (1)二階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系： 諧振峰值 21 ( 0 . 7 0 7 )21rM ??????諧振頻率 21 2 ( 0 .7 0 7 )rn? ? ? ?? ? ?帶寬頻率 2 2 41 2 2 4 4bn? ? ? ? ?? ? ? ? ?截止頻率 421 4 2? ? ? ?? ? ? 性能指標(biāo) 8 (2)高階系統(tǒng)頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系 諧振峰值 1sinrM ??超調(diào)量 6 ( 1 ) ( 1 )rrMM? ? ? ? ? ?調(diào)節(jié)時間 22 1 .5 ( 1 ) 2 .5 ( 1 ) ( 1 1 .8 )scr r rKtK M M M???? ? ? ? ? ? ?相角裕度 421 4 2a r c tg ???????超調(diào)量 21% 1 0 0 %e ? ? ?? ????調(diào)節(jié)時間 3 . 5 7s c sntt tg?? ? ??? 性能指標(biāo) 9 校正的作用 ? 在系統(tǒng)初步設(shè)計階段，先選擇一些元部件（如執(zhí)行元件、測量元件、放大元件）構(gòu)成控制器的基本部分，一般情況下，除了放大器的增益，其它參數(shù)不易調(diào)整。 ? 然而在大多數(shù)實際情況中，僅僅調(diào)整增益不能使系統(tǒng)滿足給定的各項性能指標(biāo)。因此，有必要在系統(tǒng)中引入適當(dāng)?shù)男Ｕb置以改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而滿足給定的各項性能指標(biāo)要求。 ? 引入校正裝置的作用，從頻域來說，可以在不同頻段上對原系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線的形狀進(jìn)行相應(yīng)的修改，使校正后的系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能和瞬態(tài)性能的要求。 10 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的要求，應(yīng)取 K≥100 ，設(shè) K=100，作出系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線 1，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。 從閉環(huán)諧振峰值 Mr=，可求得 K=1，系統(tǒng)不滿足指標(biāo)。 要求系統(tǒng)在斜坡函數(shù)作用下，穩(wěn)態(tài)誤差 ess≤ ，且閉環(huán)諧振峰值 ,試選擇 K。 例 61 設(shè)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： ( ) ( )( 1 ) ( 0 . 0 1 2 5 1 )KG s H ss s s? ?? ?可見，調(diào)整開環(huán)增益 K無法同時滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和諧振峰值的要求。 解： 0j1?3???1100K?0??1K?2r? ?0??若引入校正裝置，使系統(tǒng)的開環(huán)幅相曲線如中的實線 3所示，則可同時滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和諧振峰值的要求。 22 ( 1 ) (
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